2022 Fiscal Year Research-status Report
Development of dot impact metal 3D printer by carbon nanotube composite metal particles
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21K18678
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| Research Institution | Akita Prefectural University |
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Principal Investigator |
鈴木 庸久 秋田県立大学, システム科学技術学部, 教授 (90501479)
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2021-07-09 – 2024-03-31
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| Keywords | カーボンナノチューブ / 金属被覆粒子 / 金属3Dプリンタ / 通電焼結 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年、金属3Dプリンタによる機能性部品の製造の要求が高まっている。しかし、広く利用されているパウダーベッド方式の金属3Dプリンタの場合、原理的に異種金属の積層ができず、機能性複合材料の造形ができないという課題がある。本研究では、カーボンナノチューブ複合めっき(Ni-CNT)被覆金属粒子を用い、 Ni-CNT被膜が有する高温軟化特性及びランダム配向ナノ多結晶体である特性を利用して、比較的低温(400~600°C)でNi-CNT被覆金属粒子同士を結合する局所通電焼結法を確立し、ドットインパクトプリンタ方式と組み合わせることで、これまでにない金属3Dプリンタの開発を目指す。
1)ドットニードルによるNi-CNT被覆金属粒子の局所通電焼結条件の検討: まず、焼結プロセスに用いる原材料となるNi-CNT被覆金属粒子について、バレル電気めっき法によるNi-CNT被覆金属粒子の作製条件を検討し、数ミクロンのNi-CNTを被覆した金属粒子の作製条件を明らかにした。さらに、複数種類の金属粒子、セラミックス粒子に被覆を行い、その通電焼結を実施し、粒子の導電性の有無、界面の密着性が結合状態に及ぼす影響などを明らかにした。
2)Ni-CNT界面接合挙動の解明: Ni-CNT粒子の通電焼結による焼結体の界面の観察および分析を行い、界面の接合挙動を考察した。Ni被覆と粒子の界面密着性が低い場合、Ni被覆界面での密着性が高くとも、Ni被覆と粒子の界面からの剥離により、接合強度が低下することが明らかになった．そのため、界面密着性の改善に取り組んだ。また、通電焼結によるNi被覆粒子の結晶構造や性状の変化を明らかにした。
３）ドットインパクト金属3Dプリンタの試作：金属３Dプリンティングに向けて、局所的試験装置を設計・試作した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
Ni-CNT被覆金属粒子同士を結合する局所通電焼結法を確立し、ドットインパクトプリンタ方式と組み合わせた金属3Dプリンタの開発を目指し、以下の取り組み を行い、それぞれに概ね計画通りに推移しているため、上記評価区分とした。 1)ドットニードルによるNi-CNT被覆金属粒子の局所通電焼結条件の検討において、バレル電気めっき法により，複数種類の粒子に対する被覆粒子の作製条件を検討し、数ミク ロンのNi-CNTを被覆した粒子の作製条件を明らかにした。また、母材となる粒子の違いによる焼結条件(温度、圧力) を明らかにした。以上より、概ね順調に進展しているといえる。 2)Ni-CNT界面接合挙動の解明: Ni-CNT粒子の通電焼結による焼結体の界面、被覆同士の結合、f被覆と粒子の結合の観察および分析を行い、界面の結晶状態、接合強度の基本的データが収集できており、概ね計画どおりの進捗といえる。３）ドットインパクト金属3Dプリンタの試作：局所的試験装置を設計・試作したが、性能評価に至っていない。この点においては、やや計画よりも遅れている。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究で提案する「ドットインパクト金属3Dプリンタ」は、Ni-CNT被覆金属粒子を、ドットニードルで基板に接触させ、通電することで、接点での抵抗加熱を 促す。表面のNi-CNT被膜の高温軟化特性を用いて、比較的低温でかつ低加圧力で局所的に通電焼結を行うものである。さらに、ドットニードルを複数並べ、搬送 と印刷を繰り返すことで、金属3D積層造形を実現する。パウダーベッド方式に比べて、粉体の切り替えができ複合材料の造形に向いていること、レーザや電子 ビームのような高額なユニットが不要であるという利点がある。 本研究では、今後、以下の取り組みを行う。1)Ni-CNT被覆金属粒子の被覆層と粒子界面の密着性向上の検討を行う。2)さらに、その界面接合挙動を解明する。3)ドットインパクト金属3Dプリンタを試作し、連続的に局所通電焼結が可能となる搬送条件、積層条件を検討する。 以上の検討により、ドットインパクト金属3Dプリンタの実現可能性を示す。
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